Hållbara energilösningar

En presentation över ämnet: "Hållbara energilösningar"— Presentationens avskrift:

1 Hållbara energilösningar
Ny öppen energi –projektet 2016

2 Fotoelektriska effekten Marko Kukka, Satakunnan ammattikorkeakoulu, Kim Skön, Arcada
Välkomna att studera hållbara energilösningar. I den här videon tittar vi på solens strålning och den fotoelektriska effekten, dvs de fysikaliska fenomen som gör det möjligt att ta tillvara solens energi.

3 Solcellen Ledarna på ytan av cellen
Alternativt etsade spår för ledarna Texturerad yta minskar reflektioner Cellen består huvudsakligen av P-typ kisel Solens strålning kan omvandlas till el med hjälp av solceller. Solpaneler består av många små solceller. Solcellens elektriska ledare kan vara på ytan av cellen eller så förekommer det etsade spår för ledarna, som ger något bättre verkningsgrad pga mindre skuggbildning på cellens yta. Vanligtvis gäller för solceller som säljs idag att de elektriska ledarna är placerade på ytan av cellen. Den genererade elektriska strömmen förs via ledarna ut ur solcellen. Solcellen har vanligtvis också en texturerad yta för att minska reflektioner. Tanken är att den ojämna ytan får solljuset att reflekteras tillbaka till solcellens yta. Reflektion kan ytterligare minskas med hjälp av antireflektionsbeläggning. Solcellerna består huvudsakligen av P-typ kisel. Bilden baserad på figuren :

4 Fotoelektriska effekten
Belastning fotoner elektroner N-typ halvledare PN-övergång ”hål” P-typ halvledare I cellen omvandlas solens strålning direkt till elektrisk ström. Solcellen är i princip en mycket stor fotodiod, där man kombinerat två olika typer av halvledarmaterial (p och n). I kiselcellen bildas P- och N-halvledare genom sk dopning, dvs tillsats av förorenande atomer. N-typen har ett överskott av elektroner som fås genom tillsats av fosfor. P-typen har ett underskott av elektroner som fås genom tillsats av bor, som ger ”hål”. För par som bildas nära PN-övergången förflyttas elektronerna till N-sidan och hålen till P-sidan. Fria elektroner går in i hålen och det uppstår en PN-övergång. På N-sidan uppstår en positiv laddning och på P-sidan en negativ laddning. När en foton träffar PN-övergången frigör den en elektron (laddning) som vandrar genom den elektriska kretsen och slutligen fyller ett hål. I verkligheten är N-halvledaren mycket tunn jämfört med P-halvledarskiktet. Kennossa auringon valo muuttuu suoraan sähkövirraksi. Aurinkokenno on periaatteessa hyvin suuri fotodiodi, jossa on yhdistetty kaksi eri tyyppistä puolijohdemateriaalia (p ja n). Piikennoon muodostetaan P-ja N-puolijohteet douppaamalla eli lisäämällä epäpuhtausatomeita. N-tyypissä on ylimääräisiä elektroneja, jotka saadaan lisäämällä fosforia. P-tyypistä poistetaan elektroneja lisäämällä booria, jolloin jää tyhjiä aukkoja. Lähellä pn -liitosta muodostuvista pareista elektronit kulkeutuvat n-puolelle ja aukot p-puolelle. Vapaat elektronit menevät aukkoihin ja muodostuu PN-liitos. N-puolelle muodostuu positiivinen varaus ja P-puolelle negatiivinen varaus. Fotoni osuu PN-liitokseen ja virittää elektronin (-varaus) jolloin se irtoaa ja kiertää virtapiirin lopulta täyttäen aukon. Todellisuudessa N-puolijohde on erittäin ohut verrattuna P-puolijohdekerrokseen. Bilden baserar sig på figuren: dmohankumar.wordpress.com

5 Cellen producerar el Ström och spänning som funktion av solstrålning Spänningen ökar snabbt som funktion av strålningen och når ett maximum av 0,5-0,6 V. Strömstyrkan är linjärt beroende av strålningen. När man tittar på solcellens elproduktion så har vi tre variabler: solens strålning, strömstyrkan och spänningen. När strålningen ökar så stiger också spänningen mycket kraftigt till en nivå nära maxspänningen som för en enskild solcell är 0,5-0,6 V Solceller kan vid behov seriekopplas till paneler. I allmänhet används paneler som består av 36 celler, som ger tillräcklig spänning för laddning av 12 V batterier. Den elektriska strömmen från solcellen är proportionell mot det bildade antalet elektron-hål par som igen är beroende av cellens yta och solstrålningens intensitet.

6 Faktorer som påverkar verkningsgraden
Temperatur Ljus Materialets renhet När man tittar på vad som påverkar verkningsgraden för en solcell så har vi temperaturen, ljusets intensitet och materialets renhet i solcellen. Stigande temperatur sänker nästan linjärt den öppna kretsens spänning (tomgångsspänning) När man från standardtemperaturen 25 grader Celsius ökar temperaturen med en grad Celcius så sjunker spänningen och därmed effekten med 0,4 procent. och på motsvarande sätt när man sänker temperaturen från standardtemperaturen så ökar spänningen och effekten. Höga temperaturer är alltså något man vill undvika med solpaneler. En solig dag kan panelens temperatur vara grader Celsius högre än omgivningens och det innebär att effekten påverkas av arbetstemperaturen. För att utnyttja så mycket som möjligt av ljusets intensitet är det viktigt att solcellen är ytbehandlad med antireflekterande beläggning och att cellens yta är ojämn. En obehandlad kiselyta är kraftigt reflekterande. Materialets renhet har också betydelse för verkningsgraden. Det här handlar om solcellsteknologi, dvs vilka material och tillverkningstekniker man använder sig av vid produktion av solceller. Det här är ett tema som tas upp i följande video där vi bekantar oss med olika tillverkningsteknologier för solceller. Bilder: Miia Törmänen 2016, CC BY-SA

7 Detta kursmaterial av VirtualYH-nätverket Finland är licensierat under en Creative Commons Erkännande-DelaLika 4.0 Internationell-licens: om inte annat anges i materialet.